3. ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Выше была дана общая математическая формулировка проблемы регулирования. В данном параграфе поясняется основной принцип действия и даются определения основных терминов, связанных с физической реализацией систем автоматического регулирования.

Основная цель автоматического регулирования какого-либо объекта или процесса, как мы видели, заключается в том, чтобы обеспечить определенную функциональную зависимость между изменениями некоторых переменных, называемых переменными состояния, или регулируемыми переменными, и управляющими, или задающими, воздействиями при наличии возмущающих воздействий.

Чаще всего такого рода функциональной зависимостью является простая пропорциональная зависимость, при которой регулируемая величина должна воспроизводить обычно на более высоком уровне мощности изменения управляющего воздействия.

Однако применяются и такие системы автоматического регулирования, в которых регулируемая переменная должна являться производной, интегралом или некоторой более сложной функцией от управляющего воздействия.

Для осуществления требуемой функциональной связи между переменными применяются два основных принципа: принцип разомкнутого или принцип замкнутого циклов.

Рис. II.6. Система регулирования числа оборотов двигателя постоянного тока, работающая по принципу разомкнутого цикла

Принцип разомкнутого цикла состоит в том, чтобы обеспечить требуемое изменение (или постоянство) регулируемой величины непосредственно при помощи управляющего сигнала без необходимости сравнения требуемого и действительного изменения регулируемой величины.

Принцип замкнутого цикла, или принцип обратной связи, состоит в сравнении требуемого изменения регулируемой переменной, определяемого управляющим воздействием, с действительным ее изменением.

Рис. 11.7. Система регулирования числа оборотов двигателя постоянного тока, работающая по принципу замкнутого цикла

Получающийся при этом сигнал ошибки используется затем для создания при помощи соответствующих источников энергии регулирующего воздействия на объект, при котором эта ошибка не выходит из допустимых пределов.

Для пояснения обоих принципов рассмотрим две системы регулирования числа оборотов двигателя постоянного тока, первая из которых (рис. II.6) работает по принципу разомкнутого, а вторая (рис. II.7) - по принципу замкнутого цикла.

В системе разомкнутого цикла на рис. II.6 управляющее воздействие перемещает движок 2 потенциометра 1 и тем самым изменяет ток в обмотке возбуждения 3 генератора 4. Это приводит

к изменению тока в якоре электродвигателя 5, что, в свою очередь, вызывает изменение его угловой скорости. Последняя может измеряться при помощи тахометра 6 и измерительного прибора 7, но результаты этого измерения для управления числом оборотов не используются. Схема не имеет замкнутого пути обхода. Поэтому система является разомкнутой.

Для нормального функционирования систем разомкнутого цикла необходимо соблюдение ряда мер. Прежде всего они должны быть тщательно отградуированы, т. е. каждому положению движка 2 должно соответствовать определенное (в установившемся режиме) число оборотов электродвигателя 5. Однако ясно, что сохранение градуировки при износе и старении элементов схемы, а также при значительных колебаниях температуры, влажности и т. д. представляет собою Еесьма трудную задачу. Поэтому схемы, работающие по принципу разомкнутого цикла, обычно могут обеспечить лишь очень невысокую точность. В них не измеряется результат, вызываемый управляющим воздействием, и не осуществляется никаких действий, если этот результат не соответствует желаемому.

Система замкнутого цикла, показанная на рис. II.7, отличается от системы, приведенной на рис. II.6, тем, что напряжение на зажимах тахогенератора 6 сравнивается с напряжением, снимаемым с потенциометра 1 при помощи движка 2. Если скорость электродвигателя отличается от заданной, то оба напряжения делаются не равными друг другу, и возникает сигнал ошибки. Последний усиливается и передается на обмотку возбуждения 3 генератора 4, изменяя скорость электродвигателя 5. При этом сигнал ошибки уменьшается, а скорость возвращается к заданному значению.

Описанный выше принцип действия системы с замкнутым циклом, основанный на измерении ошибки вне зависимости от причин, вызвавших ее появление, и на использовании результатов измерения для уменьшения этой ошибки, не требует точной градуировки и в значительной мере сохраняет свою точность даже в том случае, если параметры элементов испытывают существенные изменения во время их работы.

В настоящее время оба принципа управления (по замкнутому и по разомкнутому циклу) иногда используются в сочетании друг с другом.

Рассмотренный пример показывает, что в системах с замкнутым циклом или с обратной связью точность регулирования, т. е. точность поддержания требуемой функциональной связи между входом и выходом в основном зависит от точности, с которой производится сравнение требуемого и действительного изменения, регулируемой переменной. Системам автоматического регулирования, использующим принцип как замкнутого, так и разомкнутого циклов, можно дать следующее определение. Системой автоматического регулирования называется динамическая система, стремящаяся сохранять в допустимых

пределах ошибки между требуемыми и действительными изменениями регулируемых переменных при помощи их сравнения и использования получающихся при этом сигналов для управления источниками энергии.

Изменения регулируемых величин вызываются не только управляющими, но и возмущающими, воздействиями, приложенными к системе автоматического регулирования. Возмущающим называется всякое воздействие, которое стремится нарушить требуемую функциональную связь между управляющим воздействием и регулируемой переменной.

Для схемы, изображенной на рис. II.7, возмущающим воздействием может служить, например, момент нагрузки, приложенный к валу электродвигателя. Ясно, что система регулирования должна вести себя по отношению к указанным двум типам воздействия существенно различным образом. В то время как управляющие воздействия должны определять изменения регулируемых переменных, возмущающие воздействия должны, наоборот, возможно менее влиять на изменения регулируемых переменных.

Рис. 11.8. Система регулирования с одной регулируемой величиной

Отметим еще одно различие между управляющими и возмущающими воздействиями, связанное с местом их приложения к системе. Назовем сравнивающим устройством системы устройство, служащее для сравнения управляющей и регулируемой переменных. В то время как управляющее воздействие может быть приложено к системе только через сравнивающее устройство (рис. II.8), возмущающее воздействие может быть приложено к любой точке системы, включая и чувствительный элемент.

Компенсация вредного влияния возмущающих воздействий и получение требуемой функциональной зависимости регулируемых переменных от управляющих воздействий, может производиться как на основе принципа замкнутого цикла, так и на основе принципа разомкнутого цикла.

Внешние воздействия, приложенные к системе, всегда приводят к тому, что требуемые и действительные значения регулируемой величины отличаются друг от друга. Разность между требуемым и действительным значением регулируемой величины назовем ошибкой системы автоматического регулирования.

Отклонением регулируемой величины условимся называть разность между значением регулируемой величины в данный момент времени и некоторым фиксированным ее значением, принятым за начало отсчета.

Для того чтобы уяснить различие между понятиями «ошибка» и «отклонение», рассмотрим следующий пример. Предположим,

что управляющее воздействие, приложенное к системе регулирования, внезапно изменилось на некоторую постоянную величину (рис. II.9). Это изменение управляющего воздействия вызовет соответствующее изменение регулируемой величины. Отклонением регулируемой величины в момент называется величина а ошибкой величина

Заметим, что в то время как отклонение регулируемой величины при неограниченно возрастающих управляющих воздействиях является также неограниченно возрастающей функцией времени, ошибка во всякой удовлетворительно работающей системе остается всегда ограниченной (рис. 11.10).

Воздействие, приложенное к сравнивающему элементу системы регулирования, условимся называть входным сигналом, или величиной на входе, системы автоматического регулирования.

Рис. II.9. Ошибка и отклонение регулируемой величины

Рис. 11.10. Случай неограниченно возрастающего отклонения и ограниченной ошибки

Величиной на выходе будем называть регулируемую величину.

Системы автоматического регулирования часто называют системами с обратной связью. Это объясняется тем, что во всякой системе автоматического регулирования должна иметься не только прямая связь между входом (управляющим воздействием) и выходом (регулируемой величиной), при помощи которой производится управление регулируемой переменной, но и обратная связь между выходом и входом, служащая для сравнения обеих величин.

Сигнал, поступающий с выхода системы на ее вход, назовем сигналом главной обратной связи, а разность между входным сигналом и сигналом главной обратной связи — сигналом ошибки.

Следует отметить еще одну характерную особенность систем автоматического регулирования, которая состоит в направленности их действия. Эта особенность заключается в том, что входной сигнал не оказывает существенного влияния на сигнал главной обратной связи непосредственно через сравнивающий элемент,

а может воздействовать на него лишь обойдя всю систему в каком-либо определенном направлении (например, по часовой стрелке, как это показано на рис. II.8).

Итак, системы автоматического регулирования — это замкнутые активные динамические системы направленного действия.